10. CLIMATIZACIÓN DE HABITÁCULO

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1 10.1 Nociones de Confort Térmico 10.2 Objetivos y Restricciones 10.3 Circuitos de calor y frío 10.4 Sistema de Climatización: Descripción y Regulación 10.5 Circuito de Aire en el Habitáculo 10.6 Climatización en Vehículos Eléctricos 10.7 Metodología de Diseño y Análisis 2

2 10. CLIMATIZACIÓN HABITÁCULO 10.1 Nociones de Confort Térmico Confort: estado de completo bienestar físico, mental y social. El confort, depende de multitud de factores personales y parámetros físicos. Confort térmico: representa el confort desde el punto de vista del ambiente higrotérmico exterior a la persona. Con objeto de obtener un confort térmico adecuado en cualquier ambiente es necesario controlar principalmente dos variables: temperatura y humedad. Temperatura El adecuado control de la temperatura del medio ambiente que circunda el cuerpo humano elimina el esfuerzo fisiológico de acomodación, obteniéndose con ellos un mayor confort y la consiguiente mejora del bienestar físico y de las condiciones de salubridad. Humedad Una gran parte del calor que posee el cuerpo humano se disipa por evaporación a través de la piel. Como quiera que la evaporación se favorece con la humedad relativa del aire baja y se retarda si ésta es alta, se deduce que la regulación de la humedad tenga una importancia tan vital como la de la temperatura. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.2

3 Higrometría y confort térmico La higrometría es la relación entre la cantidad de agua contenida en el aire y la cantidad máxima que podría contener (bajo las mismas condiciones de presión y temperatura). INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.3

4 10.2 Objetivos y Restricciones Objetivos OBJETIVO PRINCIPAL: Acondicionar el habitáculo del vehículo de tal forma que se alcance en su interior el confort térmico PRIMER OBJETIVO. Transparencia y rapidez en la obtención del confort térmico. SEGUNDO OBJETIVO. Transparencia y estabilidad del confort en régimen estable. TERCER OBJETIVO. Automatización de las funciones de seguridad CUARTO OBJETIVO. Optimizar y mejorar la ergonomía de utilización del sistema de climatización. QUINTO OBJETIVO. Integración dentro del estilo del salpicadero. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.4

5 Restricciones Las principales restricciones en el diseño de un sistema de climatización se engloban en las siguientes categorías Restricciones de compromiso Molestia acústica: minimización del nivel de ruido del sistema Molestia debida a las velocidades alcanzadas por el aire Se necesitan valores altos de velocidad de aire debido a los intercambios convectivos en el evaporador y en el radiador (3m/s) Restricciones de disparidad Disparidad de los individuos: el confort depende en gran parte de la persona Disparidad de las situaciones Efecto de la estación: respecto de los contrastes Efecto de la hora: necesidades diferentes Efecto de la duración: trayectos cortos o largos Efecto transitorio: Estado inicial, conducción del asiento y volante INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.5

6 Límites tecnológicos de los métodos de medida Ausencia de captadores de empañado Ausencia de captadores de gas Restricciones del entorno Arquitectura del vehículo Estilo Calidad de la circulación de aire Calidad del aislamiento de las paredes Representatividad de la medida de temperatura interior: Definición de la posición del termopar interior con objeto de obtener una medida representativa de todo el habitáculo Influencia directa sobre el salpicadero (Efecto COANDA): Se diseña buscando un compromiso entre la estética y la funcionalidad. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.6

7 Restricciones de normativa El sistema de calefacción esta sometido a la directiva 2001/56/CEE. La climatización interior (confort) no ha de cumplir ninguna directiva. El sistema de climatización del habitáculo no se encuentra sometido a reglamentos en lo referente al confort. Sin embargo, cada fabricante aplica algún método de análisis de confort para evaluar la eficiencia de sus sistemas. Los sistemas de desempañado y deshelado están sometidos a la directiva 78/317/CEE Directiva 78/317/CEE Requerimientos del sistema de deshelado Zona A: deshelada al 80% a los 20 min. Zona B: deshelada al 95% a los 40 min. Requerimientos del sistema de desempañado Zona A: desempañada al 90% a los 10 min. Zona B: desempañada al 80% a los 10 min. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.7

8 Zona B Zona A INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.8

9 10.3 Circuitos de Calor y Frío Circuito de Calefacción INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.9

10 Circuito de Refrigeración INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.10

11 Esquema de funcionamiento del circuito de refrigeración: INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.11

12 Diagrama de Mollier INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.12

13 Conductos del sistema de climatización de habitáculo: Difusores climatización Toberas defrost parabrisas Rejilla defrost parabrisas Rejillas defrost laterales INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.13

14 10.4 Sistema de climatización: Descripción y Regulación Los sistemas de climatización son cada vez más complejos. Los elementos de captación de datos necesarios para el funcionamiento de la centralita provienen de diferentes entornos del vehículo y son muchos los parámetros que deben ser controlados. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.14

15 El habitáculo El objetivo principal de un sistema de climatización es acondicionar el habitáculo del vehículo de tal forma que se alcance en su interior el confort térmico. Para ello, el sistema impulsa el aire exterior que entra por la toma de aire, atraviesa el evaporador y el radiador de calefacción a través del conjunto de distribución de trampillas y circula por los diferentes conductos. El aire soplado sale por los difusores y se mezcla con el aire ambiente que se encuentra en el interior del habitáculo, de tal forma que dicho aire ambiente alcance la temperatura de consigna. La calidad del aislamiento térmico y la temperatura inicial de las paredes del habitáculo tienen una influencia importante en el tiempo necesario para alcanzar la temperatura de consigna en el interior del habitáculo. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.15

16 El tablero de mandos Los mandos del climatizador se encuentran normalmente en el salpicadero, así como la pantalla de presentación de la temperatura de consigna, la velocidad de ventilación y la distribución de aire. La sonda de temperatura del habitáculo suele estar colocada en la parte delantera del salpicadero, cerca del limpiaparabrisas o bien sobre el propio climatizador en el tablero de mandos. La sonda de temperatura exterior suele estar colocada en la parte baja del retrovisor derecho, aunque existen otras posibles ubicaciones. Finalmente, la sonda del aire soplado por el impulsor está colocada en el interior del conjunto de distribución de trampillas. Pueden existir varias, en los difusores frontales, en el conducto que va hacia los pies y en el conjunto que va hacia el parabrisas. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.16

17 El salpicadero De igual forma que las paredes del habitáculo, el salpicadero y el conjunto de instrumentos tienen una conductividad térmica y calor específico, y una temperatura inicial que influyen en el tiempo que tarda el sistema en alcanzar la estabilidad en la temperatura de consigna. El diseño del salpicadero tiene una influencia fundamental en la arquitectura de los conductos, y por lo tanto en la circulación del aire soplado INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.17

18 El conjunto A/C El conjunto A/C o conjunto de distribución de trampillas contiene gran cantidad de componentes básicos para el correcto funcionamiento del sistema. El radiador de calefacción y el evaporador se encuentran alojados en el interior, y el aire proveniente del exterior intercambia calor con estos dos dispositivos. El impulsor garantiza la correcta circulación hacia el interior del caudal de aire. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.18

19 En la zona más fría del evaporador puede existir una sonda del evaporador, que manda una señal a la centralita para que corte el compresor en cado de formación de hielo. Además, cada trampilla del conjunto de distribución está provista de un actuador que garantiza su movimiento al recibir la señal correspondiente de la centralita. El diseño del conjunto A/C no es fijo, está basado en la arquitectura del salpicadero y del habitáculo, adecuándose su tamaño al espacio existente en la zona bajo capó. La sonda de aire soplado se encuentra situada en el interior del conjunto A/C, pero tambie n forma parte del entorno del habitáculo. El propio aire soplado circula por el conjunto A/C, por el interior del salpicadero y desemboca en el habitáculo. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.19

20 El motor térmico El motor térmico arrastra mediante la correa del alternador, los componentes fundamentales para la climatización del vehículo, como son el compresor y la bomba del líquido refrigerante. El módulo de inyección motor debe estar también conectado a la centralita, ya que en el caso de que se produzca una aceleración brusca, el compresor debe cortarse para no restar potencia al motor. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.20

21 El circuito de calor La bomba de líquido refrigerante asegura la circulación del líquido refrigerante por el motor térmico, refrigerándolo. La circulación del líquido se realiza a través de los manguitos hacia el radiador de refrigeración, donde se evacua el calor residual. La sonda de temperatura del líquido refrigerante informa a la centralita de climatización de la temperatura del motor, por si ésta fuese elevada y fuera necesario cortar el compresor. El termocontacto acciona el Grupo Motoventilador (GMV) o electroventilador en el cado de que el líquido refrigerante se encuentre a una temperatura elevada en el radiador. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.21

22 El termostato permite dirigir todo el flujo de líquido refrigerante inicialmente hacia el radiador de calefacción, donde se intercambia el calor con el aire exterior trasegado por el impulsor. Si la presión del fluido en el circuito de aire acondicionado es demasiado alta o demasiado baja, el captador de presión o presostato envía una señal a la centralita para que corte el compresor. Si la presión supera un determinado valor, se conecta el GMV, que hace descender la presión en el condensador. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.22

23 El circuito de frío Se ve en la figura como el circuito de frío comprende elementos del circuito de climatización ya presentes en el entorno del motor térmico y en el circuito de calor. El evaporador es el elemento productor de frío, siendo la sonda del evaporador un elemento de control ya descrito anteriormente. Los dos últimos elementos de este entorno son el filtro deshidratante, que tiene el papel de desecante y filtrante del circuito, y las canalizaciones que transportan el fluido frigorífico por todo el circuito. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.23

24 El sistema completo El conjunto de distribución de trampillas enlaza la parte del sistema que se encuentra en el compartimento motor con la parte que se encuentra en el habitáculo, lo que el usuario percibe más directamente. El evaporador y la sonda pertenecen al conjunto A/C y al circuito de frío, mientras que el radiador de calefacción pertenece al circuito de calor. El impulsor es común al circuito de frío, al circuito de calor y al conjunto A/C. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.24

25 La climatización automática Como se puede observar en el esquema, cada entorno interacciona con la tarjeta electrónica del sistema de climatización. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.25

26 Los mandos son el sistema de comunicación principal entre el usuario y la centralita. De la misma forma que el usuario puede presionar un botón u otro según sus preferencias, la centralita también puede conectar diferentes botones en modo automático. El display de presentación permite al usuario conocer cómo está funcionando el sistema en cada momento La sonda de temperatura del habitáculo informa a la centralita de la temperatura en el interior en cada instante, para conocer si se ha llegado a la temperatura de consigna. Normalmente esta temperatura instantánea no es conocida por el usuario. La sonda de temperatura de aire soplado junto con el valor proporcionado por la sonda de temperatura exterior, informan a la centralita si la posición de la trampilla de mezcla es la adecuada para alcanzar la temperatura de habitáculo elegida, así como que caudal de aire y tipo de distribución son necesarios. La centralita envía una señal a cada actuador para que se mueva la trampilla necesaria en cada instante La sonda del evaporador informa al calculador si se está formando hielo en el evaporador, y por lo tanto si el sistema debe enviar una señal al compresor para que corte (caso de cilindrada fija). La centralita envía una señal al impulsor para que aumente o disminuya el caudal de aire requerido. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.26

27 El presostato informa al sistema de la presión en el circuito de fluido frigorífico. Si es excesiva o demasiado baja, la centralita manda una señal al compresor para que corte. Si excede de un cierto valor, el calculador manda una señal al GMV para que se conecte la segunda velocidad. El termocontato actúa de una forma similar, si la temperatura de líquido refrigerante es demasiado elevada, la centralita manda una señal al GMV para que conecte la segunda velocidad. El módulo electrónico de refrigeración informa a la centralita de diversos parámetros de la refrigeración y calefacción. Por último, el módulo de inyección informa al calculador si se ha producido una aceleración y por lo tanto, si se debe cortar el compresor para proporcionar más potencia al motor. Además, el hecho de que esté el compresor conectado debe ser conocido para que aumente el régimen de ralentí y no se cale el motor. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.27

28 La tarjeta electrónica En resumen, el funcionamiento de la climatización automática está regulado por la tarjeta electrónica, también llamada centralita o calculador. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.28

29 Dicha tarjeta se encuentra normalmente detrás de los mandos y de la pantalla del climatizador. Como se puede observar en la figura, el calculador dispone de entradas, salidas y conexiones bidireccionales, dependiendo de las necesidades del sistema. Las diferentes sondas proporcionan información a la centralita (señales de entrada) acerca de la temperatura y presiones en diferentes puntos del sistema. Existen actuadores que reciben una señal de salida de la tarjeta y mueven las diferentes trampillas del conjunto de distribución. El calculador también envía señales de salida al impulsor, al electroventilador y al compresor según las necesidades de climatización y refrigeración motor. Por último, el funcionamiento del calculador de climatización está íntimamente relacionado con los módulos electrónicos de refrigeración e inyección. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.29

30 10.5 Circuito de Aire en el Habitáculo INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.30

31 El conjunto de distribución de trampillas es el entorno donde se encuentran la mayoría de los componentes del sistema de climatización regulada. Por un lado el líquido refrigerante llega al radiador de calefacción donde se produce la cesión de calor al aire entrante. En los vehículos actuales, el circuito de refrigeración está dimensionado teniendo en cuenta la disipación producida en el radiador de calefacción, por lo que no se debe anular esta circulación. En algunos vehículos nuevos, sobre todo en aquellos con motores de inyección directa de gasóleo, la temperatura del líquido refrigerante tarda mucho tiempo en alcanzar la temperatura adecuada, por lo que disponen de una resistencia de calefacción eléctrica o PTC que aporta calefacción durante los primeros minutos Por otro lado, el fluido frigorífico llega al evaporador donde se produce la absorción de calor del aire entrante, previamente filtrado a través del filtro del habitáculo. El evaporador es pues el órgano productor de frío. En ambos casos, el aire entrante es impulsado al interior del habitáculo mediante el impulsor o GMV, que dispone de un módulo electrónico de velocidad o potenciómetro que hace girar la turbina del impulsor a una determinada velocidad dependiendo de la consigna manual o automática. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.31

32 Se pueden observar en la figura diferentes captadores o sondas de temperatura. La sonda del evaporador está situada en la parte mas fría del evaporador, de tal forma que si la temperatura medida desciende por debajo de la temperatura de formación de hielo, manda una señal a la centralita para que corte el compresor, en los casos de compresor de cilindrada fija. Las sondas de temperatura de salida de difusores centrales y de difusores a los pies tienen como función principal controlar el buen funcionamiento de la trampilla de mezcla, y junto con las sondas de temperatura exterior e interior, permiten al sistema realizar las acciones necesarias para alcanzar la temperatura de consigna. Por último, las diferentes trampillas (recirculación, distribución y de mezcla de aire frío y caliente) están gobernadas por actuadores que reciben señales de la centralita cuando proceda. Un haz de cables conecta cada uno de estos componentes con la centralita que se encuentra detrás del tablero de mandos. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.32

33 MODOS DE FUNCIONAMIENTO a) Modo ventilación máxima INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.33

34 b) Modo Ventilación/Recirculación INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.34

35 c) Modo Calefacción Pies INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.35

36 d) Modo Deshelado INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.36

37 e) Modo Desempañado INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.37

38 f) Modo A/C INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.38

39 10.6 Climatización en Vehículos Eléctricos Problemática existente En vehículos convencionales, la energía del sistema de calefacción se obtiene del calor residual del motor En vehículos eléctricos, el motor no genera suficiente energía térmica, por lo que el sistema de climatización no puede abastecerse de la energía del motor. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.39

40 Soluciones Aplicadas para calefacción Calentadores de aire HV Uso de energía eléctrica para calentar aire Potencias de W Calentadores de refrigerante HV Usa la energía residual del motor, electrónica de potencia, transformador y batería mediante un circuito de agua. Problema: reduce la potencia del motor hasta en un 40% Bomba de Calor Aplicado para refrigeración y calefacción Sistema reversible mediante aporte de energía. Muy eficiente Dispositivo de calefacción con depósito de combustible INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.40

41 Soluciones Aplicadas para Aire Acondicionado Sistema de Refrigeración Peltier: Utiliza módulos Peltier para refrigerar una superficie de contacto a través de la cual se impulsa el aire para refrigerarlo e introducirlo en el interior del habitáculo. El efecto Peltier es una propiedad termoeléctrica descubierta en 1834 por Jean Peltier, hace referencia a la creación de una diferencia de temperatura debida a un voltaje eléctrico. Sucede cuando una corriente se hace pasar por dos metales o semiconductores conectados por dos junturas de Peltier. La corriente propicia una transferencia de calor de una juntura a la otra: una se enfría en tanto que otra se calienta. Los módulos Peltier son muy flexibles, y se pueden utilizar para generar frío o calor invirtiendo la polaridad de la corriente. Debido a su reducido coste y a su simplicidad de montaje, este tipo de sistema representa hoy por hoy una de las principales opciones para la climatización de vehículos eléctricos. Compresor con motor integrado: Recientemente, algunos fabricantes han incorporado motores a unidades de aire acondicionado compactas específicamente diseñadas para vehículos eléctricos. Estos equipos utilizan un controlador de velocidad variable, con objeto de aumentar la eficiencia; trabajan en el punto de máximo rendimiento y nunca cuando no existe una demanda de refrigeración. Son sistemas muy compactos que pueden instalarse en diferentes lugares dentro del vehículo. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.41

42 Compresor con sistema de aire acondicionado convencional: Conectando un compresor al motor eléctrico, es viable utilizar un sistema de A/C como los existentes para vehículos convencionales. Este sistema presenta varios inconvenientes: o Resta autonomía y potencia al motor eléctrico. o El sistema A/C sólo funciona cuando el motor está en marcha. En la mayoría de configuraciones de vehículos eléctricos, esto significa que no habrá aire acondicionado cuando el vehículo no se encuentre en movimiento. Refrigerador Icebox : Una opción menos sofisticada que se plantea para cumplimentar el sistema anterior, es introducir una refrigeración de 12V mediante bloque de hielo (el aire se hace pasar por el bloque de hielo y es introducido nuevamente en el habitáculo). Este sistema únicamente funciona siempre y cuando el hielo permanezca congelado, y además introduce peso en el interior del vehículo y presenta la molestia de tener que reemplazar el hielo. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.42

43 10.7 Metodología de diseño y análisis Estudios iniciales en cámara climática: o Ensayos de desempañado: Temperaturas -3ºC +/- 1ºC o Ensayos de deshielo : Temperaturas -8ºC +/- 2ºC ó -18ºC +/- 3 ºC o Instrumentación de parabrisas y lunetas con sensores de temperatura y velocidad o Obtención de campo de velocidades de aire objetivo sobre parabrisas para cumplimiento de normativa INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.43

44 Análisis de Sistema Defrost Geometría Inicial Mallado adecuado Preprocesado Post-Procesado Determinar Condiciones de Contorno Imponer modelos de turbulencia en paredes INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.44

45 INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.45

46 INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.46

47 INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.47

48 INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.48

49 INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.49

50 Análisis de Sistema de Climatización Geometría Inicial Mallado adecuado Post-Procesado Preprocesado Determinar Condiciones de Contorno apropiadas INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.50

51 INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.51

52 INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.52

53 INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.53

54 INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.54

55 Zona problemática INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.55

56 Efecto COANDA INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.56

57 Impacto en los dummies Lado pasajero Lado conductor INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 9.57

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